微波介質(zhì)基板介電性能測試方法探討

董彥輝

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津 300220）

張永華

（無錫江南計(jì)算技術(shù)研究所軍用印制板質(zhì)量檢測中心，江蘇 無錫 214083）

0 引言

無論是微波介質(zhì)基板的研發(fā)制造，或是在成品微波印制板的設(shè)計(jì)、加工和調(diào)試過程中，介質(zhì)材料的介電性能都是需要著重考慮的一個(gè)參數(shù)[1}-[2]，需要通過準(zhǔn)確、有效的方法進(jìn)行測量。相對介電常數(shù)（Dk）是一個(gè)非常復(fù)雜的參數(shù)，在電路板基材的三根軸線上（X、Y和Z），它的值都是不一樣的，同時(shí)它會隨信號頻率的變化而變化，且對于不同的測試方法和測試環(huán)境，Dk的測試結(jié)果也會不同。

對于生產(chǎn)及科研單位而言，通常最關(guān)心的是微波介質(zhì)基板材料在X波段（8 GHz ～12 GHz)下的介電性能參數(shù)指標(biāo)，即介電常數(shù)Dk、損耗因子Df。以及介電常數(shù)熱系數(shù)TCDk（Dk隨溫度的變化率）。本文將探討的幾種方法：GB/T 12636-1990[3]微波介質(zhì)基片復(fù)介電常數(shù)（帶狀線）測試方法；IPC TM-650 2.5.5.5C[4]Strip-line Test for Permittivity and Loss Tangent（Dielectric Constant and Dissipation Factor) at X-Band；IPC TM-650 2.5.5.13[5]Relative Permittivity and Loss Tangent Using a Split-Cylinder Resonator；QWED公司的分離電介質(zhì)諧振器（SPDR）、TE01δ等方法均可以實(shí)現(xiàn)常溫狀態(tài)下Dk、Df的測試，其中GB/T 12636-1990 、IPC TM-650 2.5.5.5c、SPDR、TE01δ等方法通過外接溫控控制系統(tǒng)的方式還可以實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)熱系數(shù)TCDk的測試，但I(xiàn)PC TM-650 2.5.5.13所用諧振器結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，目前尚未見到能夠?qū)崿F(xiàn)介電常數(shù)熱系數(shù)TCDk測試的商用測試系統(tǒng)。

國內(nèi)外對于高頻介電性能的測試方法論著很多，但普遍存在的問題是對于同一種材料，采用不同的測試原理、測試方法、測試夾具，其結(jié)果存在明顯差異，并沒有任何一種測試方法可以獲得唯一性認(rèn)可。此外，國內(nèi)對于介電性能參數(shù)測試設(shè)備的計(jì)量通常也只停留在計(jì)量矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，以及相關(guān)的測試溫度、測試壓力等外界環(huán)境條件上，沒有統(tǒng)一的標(biāo)樣進(jìn)行衡量。理論上，無論是哪種測試方法，其結(jié)果只要對產(chǎn)品的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義都可以采用，但是多樣的測試方法，不同的測試夾具也給測試需求者帶來了很多困擾。針對自身的應(yīng)用需求，究竟哪種方法操作更為方便，測試結(jié)果更加準(zhǔn)確，并且更具經(jīng)濟(jì)性，是本文探討的主要內(nèi)容。

1 微波介質(zhì)基板介電性能測試方法概述

1.1 GB/T 12636-1990 微波介質(zhì)基片復(fù)介電常數(shù)帶狀線測試方法

該方法是由唐宗熙、張其劭等老師于1990年提出的基于IPC TM-650 2.5.5.5c改進(jìn)的帶狀線測試方法，也是現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)方法。該方法最主要的優(yōu)勢是可以采用完全腐蝕后的樣品進(jìn)行測試，無需通過光刻的方式在樣品上制作特定的測試圖形，主要誤差來自于邊緣場效應(yīng)影響引起的有效增長量ΔL[6]。

該方法從提出到應(yīng)用近30年并未進(jìn)行修訂完善，部分測試條件也局限在當(dāng)時(shí)測試儀器的能力限制內(nèi)，如標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定測試過程中儀器的插入損耗值一般應(yīng)在-30dB～-36dB之間，但嚴(yán)格按照該方法進(jìn)行測試時(shí)，會導(dǎo)致測試點(diǎn)的品質(zhì)因數(shù)偏低，進(jìn)而引起損耗因子測試結(jié)果的較大誤差。本文采用該方法測試時(shí)，插入損耗調(diào)整在低于-45 dB，與本文中使用的其他方法插入損耗的測試要求基本一致，典型測試曲線，該方法的最高測試頻率通?？蛇_(dá)到20 GHz（如圖1）。

圖1 帶狀線法測試曲線圖

GB/T 12636-1990測試方法的主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在制樣便捷，對于樣品厚度在0.25 mm～1.5 mm間的基板一般不需要通過樣品疊加即可進(jìn)行測試，同時(shí)該方法更容易實(shí)現(xiàn)-50 ℃～180 ℃區(qū)間介電常數(shù)熱系數(shù)TCDk的測試，并能進(jìn)行寬頻帶測試。該方法的主要缺點(diǎn)是對于0.1 mm左右薄膜類樣品只能疊加才能進(jìn)行測試，容易造成Df的測試誤差較大。此外，為保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，該方法在測試過程中需要施加較大的壓力以排除樣品間的空氣，因此對于一些脆性易碎樣品無法進(jìn)行測試。

1.2 IPC TM-650 2.5.5.5c帶狀線諧振器法

該方法為業(yè)界承認(rèn)度比較高的一種測試方法，包括羅杰斯及Taconic等公司均采用該方法對微波基板進(jìn)行介電性能測試，通常由生產(chǎn)企業(yè)或者研究單位依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)自制夾具及編寫相應(yīng)測試程序，目前國內(nèi)尚無貨架產(chǎn)品在售。

從制樣的難易程度來講，方法IPC TM-650 2.5.5.5c的要求最為苛刻，通常需要對覆銅箔基材進(jìn)行蝕刻處理以獲得標(biāo)準(zhǔn)測試圖形的樣品才能進(jìn)行測試，因此制樣的周期較長，測試成本較高。

1.3 IPC TM-650 2.5.5.13分裂圓柱體諧振腔法

該方法由是德科技公司提出并且有貨架產(chǎn)品在售，即Keysight 85072A分體式圓筒諧振器，配合矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可用于測量薄膜、非復(fù)合基板和低損耗薄片材料的相對介電常數(shù)和損耗角正切。85072A分體式圓筒諧振腔是一個(gè)分成兩半的圓柱形諧振腔，樣品在兩個(gè)半缸之間的間隙中加載，其中一個(gè)半腔體固定，另一個(gè)半腔體位置可調(diào)，以適應(yīng)不同的樣本厚度（如圖2）。該方法的空腔品質(zhì)因數(shù)很高，因此損耗角正切的測量精度較高，置入待測樣品過厚時(shí)，測試頻點(diǎn)會出現(xiàn)較大的飄逸現(xiàn)象，典型測試曲線（如圖3）。

圖2 分裂圓柱體諧振腔夾具

圖3 85072A分裂圓柱體諧振腔測試曲線圖

85072A分裂圓柱體諧振腔法測試優(yōu)勢體現(xiàn)在樣品無需疊加，無需在樣品表面蝕刻測試圖形，也無需施加壓力排除空氣的影響，樣品厚度0.1 mm～3 mm，直徑大于56 mm的圓形或者方形樣品均可以進(jìn)行測試，但對樣品厚度均勻性要求較高，唯一的缺點(diǎn)是無法施加外部溫控進(jìn)行介電常數(shù)熱系數(shù)TCDk的測試。

1.4 SPDR分離電介質(zhì)諧振器法

分離電介質(zhì)諧振器Split Post-Dielectric Resonator （SPDR）可在 1 GHz～20 GHz 頻率范圍內(nèi)的單一頻率點(diǎn)上測量介電常數(shù)和損耗角正切值，其測試原理為諧振法。與傳輸反射法相比，傳輸反射法可以在其運(yùn)行的頻率范圍內(nèi)的“任意”點(diǎn)進(jìn)行掃描測量，而諧振法則使用單一頻率點(diǎn)（或針對不同諧振模式使用多個(gè)頻率點(diǎn)）進(jìn)行測試。分離電介質(zhì)諧振器法對樣品制作要求比較簡單，只需樣品平整并能完全覆蓋諧振腔體中部即可，為了提高測試精度，通常不宜選擇過厚的樣品進(jìn)行測試，諧振器夾具（如圖4）。

圖4 分裂電介質(zhì)諧振器夾具

SPDR方法的主要優(yōu)點(diǎn)是諧振峰的品質(zhì)因數(shù)Q較大，因此測試精度較高，尤其適用于低損耗材料的測試，并能對印制電路基板和薄膜材料進(jìn)行方便、快速的無損測量，典型測試曲線（如圖5）。

圖5 分裂電介質(zhì)諧振器法諧振測試曲線圖

SPDR方法可以實(shí)現(xiàn)-270 ℃～110 ℃范圍內(nèi)介電常數(shù)熱系數(shù)TCDk的測試，但受夾具本身材質(zhì)限制，對于微波基板材料在高溫110 ℃以上的測試要求無法實(shí)現(xiàn)。

1.5 TE01δ模介電諧振器

TE01δ模介電諧振器技術(shù)適用于小體積圓盤或圓柱形樣品的高精度復(fù)介電常數(shù)測量。此外，通過外接溫控系統(tǒng)，還可以測量介電常數(shù)的熱系數(shù)。QWED所有TE01δ型介質(zhì)諧振腔都是定制的，測量頻率取決于被測樣品的直徑、高度和介電常數(shù)，典型樣品的測量頻率在1 GHz～10 GHz范圍內(nèi)，（如圖6）為本文采用測試夾具。通過使用較小的空腔和樣品或更高階的準(zhǔn)TE0MN模式，也可以在更高頻率下進(jìn)行測試。

圖6 TE01δ模介電諧振器夾具

TE01δ模介電諧振器法的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在：

（1）對于介電常數(shù)完全未知的樣品，該方法測試較為困難，對于Dk值為2.94左右的樣品，如果知道理論值在2.94左右，可以在諧振曲線中找到理論的諧振點(diǎn)17.275 GHz左右的諧振峰進(jìn)行測試。如果不知道理論值而直接進(jìn)行測試，會發(fā)現(xiàn)從13 GHz～18 GHz存在有多個(gè)諧振峰，無從準(zhǔn)確判斷哪個(gè)是真正需要的測試諧振峰（如圖7）。

圖7 TE01δ測試示意圖

（2）該測試夾具測量頻率取決于被測樣品的直徑、高度和介電常數(shù)，想獲得10 GHz左右的Df、Dk值需要反復(fù)計(jì)算測試，才可以制作出符合要求的樣品。

（3）與SPDR方法一樣，受夾具材質(zhì)影響，該夾具可以實(shí)現(xiàn)-270 ℃～110 ℃介電常數(shù)熱系數(shù)TCDk的測試，但對于微波基板材料在高溫110 ℃以上的測試要求無法實(shí)現(xiàn)。

2 測試結(jié)果比較

2.1 常溫Dk、Df測試結(jié)果

選擇一張型號為RT duroid 6002（厚度0.504 mm）的微波介質(zhì)基板，然后在該基板的不同位置按照上述各類測試方法的要求分別制作測試樣品，并在常溫環(huán)境下對介電常數(shù)Dk和損耗因子Df進(jìn)行測試，結(jié)果（見表1）。

通過表1中的結(jié)果可以看出，幾種方法的Dk值測試結(jié)果一致性較好。Df值結(jié)果，IPC TM-650 2.5.5.5C、測試結(jié)果與其他三種方法測試結(jié)果差異較大，主要原因是該方法有樣品厚度要求，需要疊加才可以進(jìn)行測試，并且如果諧振器兩端未實(shí)現(xiàn)良好接地，均會為Df值的測試帶來較大誤差。

2.2 介電常數(shù)熱系數(shù)TCDk測試結(jié)果

受測試條件限制，本文僅采用GB/T 12636-1990這一種測試方法對該參數(shù)進(jìn)行測試，結(jié)果（見表2）。

從表2中可以看出，介電常數(shù)熱系數(shù)TCDk測試結(jié)果與典型值較為接近。TCDk作為微波基板的重要參數(shù)指標(biāo)，其測試準(zhǔn)確性一直是行業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)[7][8]，這一準(zhǔn)確性主要取決于溫度控制系統(tǒng)的精度及待測樣品所處環(huán)境的溫度均勻性，尤其是對于TCDk介于-0.00001～0.000019（-10 ppm～10 ppm）間的介質(zhì)材料，溫度準(zhǔn)確性及均勻性對測試結(jié)果的影響更為明顯。

3 結(jié)論

通過以上測試結(jié)果的比較，本文所述的幾種測試方法對于常溫介電常數(shù)及損耗均可以進(jìn)行準(zhǔn)確測試，但每種方法適用的材料類型、樣品形狀各不相同，生產(chǎn)廠家可以依據(jù)自身產(chǎn)品特點(diǎn)，以及關(guān)注的測試頻點(diǎn)，選擇合適的測試方法。

從測試成本及測試周期考慮，常溫環(huán)境下測試介電常數(shù)Dk、損耗因子Df，僅有IPC TM-650 2.5.5.5c需要對樣品進(jìn)行光刻圖形制作，而其它測試方法的樣品只需完全去除基材表面的銅箔，然后加工成特定尺寸即可。對于介電常數(shù)熱系數(shù)的測試，根據(jù)測試溫度范圍的不同，可以選擇適用的測試方法。由于本文測試樣本有限，只針對一種樣品對比研究了多種測試方法的差異，其測試結(jié)果不具有通用性，但有一定的代表性。

表1 RT duroid 6002 不同測試方法測試結(jié)果

表2 RTduroid 6002介電常數(shù)熱系數(shù)TCDk測試結(jié)果